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陶(tao)瓷(ci)是古老(lao)中国的(de)代名词，历史悠(you)久，种类繁多。陶(tao)瓷(ci)从花(hua)瓶、碗碟等器(qi)皿发(fa)展到现在的(de)功(gong)能(neng)陶(tao)瓷(ci)，主(zhu)要(yao)(yao)在于功(gong)能(neng)陶(tao)瓷(ci)晶体的(de)微观极化特性的(de)发(fa)现。功(gong)能(neng)陶(tao)瓷(ci)是以电(dian)、磁、声、光、热和力学等信息的(de)存储、检测、耦合及转(zhuan)换等主(zhu)要(yao)(yao)特征(zheng)的(de)介质材料，主(zhu)要(yao)(yao)包括(kuo)压电(dian)、介电(dian)、热释(shi)电(dian)和磁性等功(gong)能(neng)各(ge)异的(de)新(xin)型陶(tao)瓷(ci)材料，其中压电陶瓷是(shi)功能陶瓷领域的主(zhu)流材(cai)料之一。

单板(ban)型压(ya)电陶瓷(ci) 图片来(lai)源(yuan)：京瓷(ci)官网(wang)

一(yi)、什么是压电陶(tao)瓷

压电(dian)陶瓷是指把氧(yang)化(hua)物混合（氧(yang)化(hua)锆、氧(yang)化(hua)铅、氧(yang)化(hua)钛(tai)等）高温烧结、固(gu)相反应后而成的(de)多(duo)晶体，并通(tong)过直流(liu)高压极化(hua)处(chu)理使其具有压电效应的(de)铁(tie)电陶瓷的(de)统(tong)称(cheng)，是(shi)一种(zhong)能(neng)(neng)将机械能(neng)(neng)和电能(neng)(neng)互(hu)相转换的(de)功能(neng)(neng)陶瓷材料。其中，锆钛(tai)酸铅(qian)陶瓷简称(cheng)PZT陶瓷，是(shi)一种(zhong)二元固(gu)溶体，它呈(cheng)现出 ABO₃ 型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料(liao)。                 

二、什么(me)又(you)是压(ya)电效应(ying)

某些电(dian)(dian)介质在沿一(yi)定方向受外(wai)力作(zuo)(zuo)用而变(bian)(bian)形(xing)时(shi)﹐内部产生极化(hua)的(de)(de)同时(shi)﹐在晶体(ti)(ti)(ti)的(de)(de)两个相(xiang)对(dui)的(de)(de)表(biao)面上出现(xian)正负(fu)电(dian)(dian)荷，此(ci)现(xian)象称为(wei)压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)。压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)分(fen)为(wei)正压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)和逆压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)。所(suo)谓(wei)正压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)是指(zhi)晶体(ti)(ti)(ti)因机(ji)械应(ying)(ying)(ying)力的(de)(de)作(zuo)(zuo)用而使其介质化(hua)﹐并使其表(biao)面荷电(dian)(dian)的(de)(de)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)。反(fan)之﹐当(dang)在晶体(ti)(ti)(ti)外(wai)部施加电(dian)(dian)场时(shi)，受电(dian)(dian)场影响的(de)(de)晶体(ti)(ti)(ti)会产生机(ji)械形(xing)变(bian)(bian)﹐称为(wei)逆压(ya)(ya)电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)(ying)(ying)。

正压(ya)电效(xiao)应              逆压(ya)电效(xiao)应

三、为(wei)什么能实(shi)现“压电(dian)”

压电陶瓷要有两个条件：一是晶粒有铁电性；二(er)是经过(guo)强直(zhi)流(liu)电场极化处理。所(suo)有(you)的铁(tie)(tie)(tie)电单(dan)晶(jing)都(dou)具(ju)有(you)压(ya)电效应(ying)，但(dan)是(shi)(shi)对(dui)于(yu)铁(tie)(tie)(tie)电陶(tao)瓷(ci)(ci)（陶(tao)瓷(ci)(ci)是(shi)(shi)多晶(jing)体）则需要(yao)经(jing)过(guo)高压(ya)直(zhi)流极(ji)化(hua)处理。这是(shi)(shi)因为陶(tao)瓷(ci)(ci)内部的各晶(jing)粒虽(sui)然存在(zai)自(zi)发(fa)极(ji)化(hua)，具(ju)有(you)铁(tie)(tie)(tie)电性，但(dan)是(shi)(shi)其(qi)自(zi)发(fa)极(ji)化(hua)电畴的取(qu)向是(shi)(shi)完(wan)全随机的，宏(hong)观(guan)上并不具(ju)有(you)极(ji)化(hua)强度。在(zai)高压(ya)直(zhi)流电场作用(yong)下(xia)电畴沿电场方向定(ding)向排列，而且在(zai)电场去(qu)除后，这种定(ding)向状态大部分能够被保留下(xia)来，所(suo)以陶(tao)瓷(ci)(ci)呈现压(ya)电效应(ying)。

压电陶瓷人工(gong)极化过程

四(si)、压电陶瓷材料的(de)分(fen)类

目前，压电陶(tao)瓷体系主(zhu)要包括钨青铜(tong)结(jie)构(gou)、铋层状结(jie)构(gou)、钙(gai)钛矿结(jie)构(gou)三大(da)类(lei)压电陶(tao)瓷材料。

（1）钨青铜(tong)结(jie)构陶(tao)瓷(ci)

钨青铜结构(gou)是(shi)仅次(ci)于钙钛矿结构(gou)的(de)第二大类(lei)铁电(dian)体。该晶(jing)体也(ye)是(shi)由氧(yang)八面(mian)体以共顶点的(de)形式联接而成(cheng)的(de)。氧(yang)八面(mian)体以共顶点的(de)形式沿四重轴(zhou)形成(cheng)堆垛，各堆垛再以共顶点的(de)形式联接起来。目前(qian)被广泛研究体系要有（Sr_xBa_1-x）Nb₂O₆、(A_xSr_1-x)NaNb₅O₁₅ （A=Ba,Ca,Mg 等）、以及Ba₂AgNb₅O₁₅等(deng)。

特点(dian)：具有自发极(ji)化强(qiang)度大、居里温度较高(gao)（300℃左(zuo)右）、介电损耗较(jiao)低等优点，但是(shi)结温度较(jiao)高，难于制(zhi)备，而且(qie)温度稳(wen)定性较(jiao)差。

钨青铜结构晶胞在（001）面的(de)投影

（2）铋层(ceng)状(zhuang)结构陶瓷

铋层状结构陶瓷是一种含Bi的有氧八面体的层(ceng)状结构化合(he)物铁(tie)电(dian)体。目(mu)前研究较多(duo)主要包括：Bi₄Ti₃O₁₂，SrBi₄Ti₄O₁₅，SrBi₂Nb₂O₉，及其改性的化合物等。

特点：电学性(xing)能(neng)各(ge)向异性(xing)明显，机械品质因数高，居里温(wen)度高，相对介(jie)电常数低(di)，电阻率高，介(jie)电击穿强度高，谐振频(pin)率的(de)时间和温(wen)度稳定性(xing)好。但(dan)是，此类陶瓷(ci)的(de)缺点也很明矫顽场比较(jiao)高，不容易极化，压电活性(xing)较(jiao)低(di)。

铋层陶瓷(ci)结构示意图(tu)

（3）钙钛矿(kuang)结构陶(tao)瓷

目前研(yan)究最广泛的晶体结构(gou)(gou)为钙(gai)钛矿(kuang)结构(gou)(gou)，该类结构(gou)(gou)的化学式可写(xie)为ABO₃型，其中A为(wei)一价(jia)或二价(jia)金(jin)属离子(zi)，而B为(wei)四(si)价(jia)或五价(jia)金(jin)属。半(ban)径较大的(de)A正离子(zi)，半(ban)径较小的(de)B正离子(zi)和(he)氧离子(zi)分别位(wei)于晶(jing)胞格子(zi)的(de)顶(ding)角，体心和(he)面心。被广泛(fan)应用研究(jiu)主(zhu)要有(you)钛酸(suan)钡，钛酸(suan)铅，错钛酸(suan)铅和(he) K_xNa_1-xNbO₃等(deng)。

钙(gai)钛矿(kuang)结构示意(yi)图

五(wu)、压电(dian)陶瓷的(de)制备工艺

压电陶瓷制备过程主要包(bao)括(kuo)陶瓷原料粉体(ti)的合成、成型(xing)、烧结、被(bei)电极和极化等几个主要过程。在这些过程中，伴随着一系列的物理和化学变化。压电陶瓷的性能与材料的组分和制备工艺有直接的关系，所以一整套稳定合理的工艺参数是获得优异材料性能的重要保证。

 表1 各制备工艺简介

六、压(ya)电陶瓷(ci)材料的应用

由于(yu)压(ya)电(dian)陶瓷材料(liao)具(ju)有正逆压(ya)电(dian)效应(ying)(ying)，其在压(ya)电(dian)传感器(qi)、驱动器(qi)、换能(neng)器(qi)和(he)滤(lv)波器(qi)等器(qi)件中得到了(le)广泛(fan)的应(ying)(ying)用(yong)。应(ying)(ying)用(yong)范围覆盖航空航天、军事(shi)、信息电(dian)子、工(gong)业机(ji)械、医疗、汽(qi)车(che)等众多领域。压(ya)电(dian)陶瓷具(ju)有性能(neng)高、成本低、易(yi)于(yu)加工(gong)制备(bei)等特点(dian)，是目前压(ya)电(dian)驱动器(qi)最主要的驱动材料(liao)。

压电材料典型应用

总结

压电(dian)(dian)效应(ying)技术以其特有(you)的优势在能源(yuan)需(xu)求不断增长的今天﹐得到了日(ri)益(yi)广泛(fan)的应(ying)用(yong)。其中压电(dian)(dian)陶瓷是一种重要(yao)的功能材料，具有(you)优异的压电(dian)(dian)、介电(dian)(dian)和(he)光电(dian)(dian)等(deng)电(dian)(dian)学性能，被广泛(fan)地应(ying)用(yong)于电(dian)(dian)子、航(hang)空航(hang)天、生物(wu)等(deng)高技术领域(yu)。随着新(xin)兴领域(yu)的飞速发(fa)展(zhan)和(he)经(jing)济社会(hui)(hui)新(xin)的发(fa)展(zhan)需(xu)求，未来(lai)对压电(dian)(dian)陶瓷的性能会(hui)(hui)有(you)更(geng)高的要(yao)求。如：高居里温度、高机(ji)电(dian)(dian)耦合系数(shu)和(he)机(ji)械品质(zhi)因数(shu)及环(huan)保、无铅、复合、纳米(mi)压电(dian)(dian)陶瓷必将成为今后的研究重点。

参(can)考(kao)来源：

1、关于压电陶瓷的(de)初(chu)步认(ren)识 孙沁瑶(yao)

2、压电陶瓷的应用(yong)进展与(yu)发展趋势 程仁志(zhi)等

3、压(ya)电材料及压(ya)电效应的应用 宋海龙(long)等

4、铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备与物性的研究(jiu) 姚卫(wei)增

5、BiFeO₃-BaTiO₃基无铅压电陶瓷电导与应变性能研究 王(wang)磊

作者：晴天(tian)

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